在該研究中，提出了一種自上而下的方法，用于在多孔石墨烯框架內(nèi)控制制備欠配位的Ni-Nx(Ni-hG)和Fe-Nx(Fe-hG)催化劑，用于電化學(xué)還原CO2 (CO2RR)s生成合成氣。通過對(duì)商用級(jí)含氮石墨烯進(jìn)行熱處理，制備出一種有缺陷的多孔石墨烯，然后將其用作支撐，通過碳缺陷修復(fù)來引入欠配位的單個(gè)原子。研究發(fā)現(xiàn)，這些Ni-hG和Fe-hG催化劑可以以任何比例混合，從而在0.6~1.1 V電壓范圍內(nèi)產(chǎn)生了所需的合成氣比(1：10)，這是液體燃料和化學(xué)品費(fèi)托合成的商業(yè)要求。這些發(fā)現(xiàn)與密度泛函理論計(jì)算相一致，理論計(jì)算表明，隨著氮與鎳配位的減少，CO的選擇性增加，而不飽和鐵則有利于析氫反應(yīng)。在高通量氣體擴(kuò)散電解槽中，這些催化劑在高溫下的選擇性和穩(wěn)定性保持不變，在槽電壓為2.5V時(shí)，顯示出275 mA mg−1的高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化活性，這進(jìn)一步證明了該催化劑的巨大的應(yīng)用潛力。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果為實(shí)施簡(jiǎn)單的自上而下方法制造欠配位單原子催化劑，用于脫碳合成氣的生產(chǎn)提供了有價(jià)值的見解。
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Figure 1. 用于單原子催化劑形成的多孔石墨烯框架。(a)原始NG和(b)hG的TEM圖像。(c)拉曼光譜。（d）原子力顯微鏡剖面圖顯示了多孔石墨烯形貌變的。（e）HAADF-STEM圖揭示了Ni-hG中的空穴恢復(fù)。（f）一步合成Ni-Nx和Fe-Nx催化劑的示意圖。
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Figure 2. 物理化學(xué)特性。(a-b)樣品的HAADF-STEM圖像。(c) EDX元素分布。（d）拉曼測(cè)量。（e）高分辨率N 1s和C 1s光譜。每種催化劑在(f) Fe K-edge和 (g) Ni K-edge的x射線吸收近邊精細(xì)結(jié)構(gòu)(XANES)光譜和放大曲線，以及在Fe和Ni的R空間。
Figure 3．CO2飽和的0.1 M KHCO3中CO2RR的電催化性能和機(jī)理研究。包括極化曲線(掃描速率:5mV·s-1)，不同產(chǎn)物的法拉第效率，以及KSCN抗毒化實(shí)驗(yàn)。
Figure 4．CO2RR和HER的自由能圖。用不同的Ni-hG和Fe-hG催化劑計(jì)算了(a) CO2RR和(b) HER的自由能圖。(c)電荷轉(zhuǎn)移分布和(d) NiN2V2和 FeN2V2的態(tài)密度結(jié)果。
該研究工作由新南威爾士大學(xué)Rose Amal聯(lián)合國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)Ru-Shi Liu課題組于2021年發(fā)表在ACS Nano期刊上。原文：Designing Undercoordinated Ni−Nx and Fe−Nx on Holey Graphene for Electrochemical CO2 Conversion to Syngas。
轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號(hào)
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